陳志軍

根據(jù)GB40533《固定式鋼梯及平臺安全要求》，應對工業(yè)用平臺設計的安全性進行評估，而計算平臺的剛強度即可實現(xiàn)對其安全性的有效評估。

MIDAS/Gen是建筑結構通用結構分析與優(yōu)化的設計軟件，由全球大型鋼鐵公司韓國浦項制鐵集團開發(fā)。在結構設計方面，MIDAS/Gen全面強化了實際工作中結構分析所需要的各項功能。通過在已有的有限元庫中加入索單元、鉤單元、間隙單元等非線性單元，結合施工階段、時間依存性、幾何非線性等最新結構分析理論，計算出更加準確和切合實際的分析結果。采用自行開發(fā)的新概念CAD形式的技術完成建模，加以如Auto Mesh Generation、結構建模助手等高效自動化建模功能。特別是鋼結構的優(yōu)化設計（OptimalDesign）功能可以在考慮多種設計要求的基礎上進行最優(yōu)化的輕量設計，從而提高效率和精確性。相比于其他計算軟件，運用MIDAS/Gen計算鋼結構件平臺框架，更加高效和便捷，計算結果更加精準。

在新研發(fā)的某型風力發(fā)電機組中，設計了連接塔筒和機艙的電纜爬梯平臺（Y1版）。該設計創(chuàng)新性地把爬梯和電纜固定支架以及檢修平臺設計成一個整體，減少了制造和安裝工作量。但使用結構分析軟件MIDAS/Gen對其做剛強度分析發(fā)現(xiàn)，該設計存在安全問題，因此，重新設計了電纜爬梯平臺（Y2版）。對比Y2版和Y1版的鋼結構件有限元分析結果發(fā)現(xiàn)，Y2版較Y1版在強度和剛度方面均有較大提升，消除了之前的安全隱患，提升了平臺的可靠性。

結構設計和三維模型的建立

一、結構設計

電纜爬梯平臺在風力發(fā)電機組中是塔筒通向機艙的較為關鍵的結構件，是設計者根據(jù)新型機艙的特點創(chuàng)新設計的一套結構件，此結構件兼具人員攀爬、電纜通道、電纜固定承重、設備檢修平臺等功能。由于第一次在新型機組上使用，需要對其做有限元分析和剛強度校核。具體的結構及尺寸見表1。

二、三維模型的建立

三維模型采用三維設計軟件SolidWorks建立。首先建立頂部八邊形平臺板，再建立電纜出口和人孔口，根據(jù)電纜走向設計電纜爬梯，根據(jù)人孔口位置設計供人攀爬的鋼爬梯，將兩個爬梯焊接成截面為三角形的框架結構，如圖1所示。MIDAS/Gen有限元分析

一、有限元分析模型建立和網(wǎng)格劃分

為了便于對電纜爬梯平臺做有限元靜態(tài)分析，需要根據(jù)三維模型尺寸，在MIDAS軟件的截面庫中選用相應的板單元和梁單元對三維模型簡化重構，形成MIDAS數(shù)值分析三維模型。MIDAS/Gen軟件所采用的板單元，根據(jù)平面外剛度不同可以劃分為薄板單元DKT、DKQ（DiscreteKirchhoff Element）和厚板單元DKMT、DKMQ（DisereteKirchhoff-Mindlin Element）兩種。由于板單元考慮了局部剪切應力的影響，因此，無論薄板單元和厚板單元都能計算出比較準確的結果。梁單元具有拉壓剪彎扭的變形剛度，根據(jù)Timoshenko Beam Theory，也可以得到非常準確的結果。

利用軟件的自動網(wǎng)格劃分功能?？梢詫⒘簡卧桶鍐卧M行網(wǎng)格節(jié)點耦合，從而高效地對復雜結構件進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

二、單元材料參數(shù)

電纜爬梯平臺的材料采用Q235B鋼材，屬性為線彈性各向同性。鋼材的彈性模量為2.06×10⁸kN/m²，泊松比為03容量為76.98kN/m³。

三、載荷及邊界條件

電纜爬梯平臺參照GB4053《固定式鋼梯及平臺安全要求》第3部分對工業(yè)防護欄桿及鋼平臺的要求，整個平臺區(qū)域內(nèi)應能承受不小于3kN/m²均勻分布活載荷。平臺地板在設計載荷下的撓曲變形應不大于10 mm或跨度的1/200（兩者取小值）;人員踩踏爬梯踏棍的節(jié)點荷載為1kN;電纜載荷為均布荷載。取值為13N/mm，載荷施加位置如圖3所示。

邊界條件：改進前為18個板單元節(jié)點鉸接固定：改進后為16個板單元節(jié)點鉸接固定加上2個梁單元鉸接固定，如圖4所示。

計算結果與分析

一、剛強度計算結果

根據(jù)上述有限元模型，改進前電纜爬梯安裝固定方式是：沿著平臺板周圍取18個點用螺栓與機艙鑄件連接，為了彌補平臺板剛度的不足，在平臺板背面焊接截面為120mmX6mm的4條扁鋼。計算結果顯示，在螺栓連接位置出現(xiàn)應力集中。

改進后將主梁角鋼BL120mmX80mmX6mm的兩端。通過節(jié)點固定在機艙鑄件上，從而使受力情況大為改觀，同時取消之前的4條120mmX 6mm扁鋼加強筋。以下是改進前后的計算對比結果（如圖5-圖7）。

分析電纜爬梯平臺應力分布云圖可知，改進前板單元最大應力集中在邊界約束的板單元鉸接點上，也就是說板單元作為邊界條件的鉸接撐點會引起局部應力過大，使板單元存在局部撕裂失效的隱患。將板單元背面增加角鋼支撐梁后，板單元應力集中問題得到徹底解決，整體的強度和撓度均滿足GB4053《固定式鋼梯及平臺安全要求》第3部分對工業(yè)防護欄桿及鋼平臺的要求。

二、極端工況下的計算結果分析

在進行偏航電機減速機（質(zhì)量為500kg，與平臺接觸尺寸為200mmX200mm）安裝和檢修的過程中，將存在減速電機在平臺鋼板任意位置出現(xiàn)的極端工況?，F(xiàn)將此特殊工況模擬為壓力荷載，計算壓力值為0.125N/mm²，分別加載到平臺板3個不同危險點，計算結果如圖8所示。由圖可知，在對平臺進行檢修作業(yè)時，板單元強度仍可以滿足使用要求，具有足夠的強度儲備。

結語

本文采用土木工程通用的有限元分析軟件MIDAS/Gen對全新設計的電纜爬梯平臺進行有限元數(shù)值計算，得出如下結論：

（1）電纜爬梯平臺Y1版的安裝固定位置存在問題，只用板單元支撐整個平臺是不安全的，板單元存在因應力集中而發(fā)生撕裂的隱患，必須施加補強措施。通過在平臺背面增加支撐梁，同時將支撐梁固定在機艙鋼鑄件上，極大改變了整個平臺的應力分布，最大板單元應力從369MPa降低為156MPa，消除了平臺隱患。提高了機組運行的安全性。

（2）模擬計算將一臺減速電機放置在平臺3個危險點的極端工況，計算結果表明極端工況可滿足剛強度使用要求。

（3）電纜爬梯結構件的安裝固定形式非常關鍵，如果安裝方式合理，不僅能夠大大提高安全性，而且可以優(yōu)化設計、節(jié)約鋼材。